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行为学

Estimation des seuils perceptifs vestibulaires à l’aide d’une plate-forme de mouvement à six degrés de liberté

Published: August 04, 2022
doi:
10.3791/63909
, , ,
1Institute of Psychology,University of Bern

Summary

Dans cet article, nous décrivons les méthodes, les procédures et les technologies nécessaires pour estimer les seuils perceptuels vestibulaires à l’aide d’une plate-forme de mouvement à six degrés de liberté.

Abstract

Les seuils perceptuels vestibulaires font référence à l’intensité du mouvement requise pour permettre à un participant de détecter ou de discriminer un mouvement en fonction de l’entrée vestibulaire. En utilisant des profils de mouvement passifs fournis par six plates-formes de degré de mouvement, les seuils perceptifs vestibulaires peuvent être estimés pour tout type de mouvement et ainsi cibler chacune des sous-composantes de l’organe terminal vestibulaire. Les évaluations des seuils vestibulaires sont cliniquement pertinentes car elles complètent les outils de diagnostic tels que l’irrigation calorique, le test d’impulsion de la tête (HIT) ou les potentiels myogéniques évoqués vestibulaires (VEMP), qui ne fournissent que des informations sur les sous-composants du système vestibulaire, mais aucun d’entre eux ne permet d’évaluer tous les composants. Il existe plusieurs méthodes présentant des avantages et des inconvénients différents pour estimer les seuils perceptifs vestibulaires. Dans cet article, nous présentons un protocole utilisant un algorithme d’escalier adaptatif et des profils de mouvement sinusoïdaux pour une procédure d’estimation efficace. Les algorithmes d’escalier adaptatifs considèrent l’historique des réponses pour déterminer la vitesse maximale des stimuli suivants et sont les algorithmes les plus couramment utilisés dans le domaine vestibulaire. Nous discutons en outre de l’impact de la fréquence du mouvement sur les seuils perceptuels vestibulaires.

Introduction

L’organe vestibulaire humain se compose de cinq composants, chacun optimisé pour détecter un composant spécifique du spectre de mouvement naturel. Les trois canaux semi-circulaires sont orientés à peu près orthogonaux les uns par rapport aux autres, ce qui leur permet de détecter les rotations de tête autour de trois axes. Les canaux sont accompagnés de deux organes de macula pour l’enregistrement des accélérations translationnelles le long de l’axe vertical ou dans le plan horizontal1. Un déclin ou une perte fonctionnelle dans chacun des cinq composants peut entraîner des symptômes graves tels que des étourdissements, des vertiges, un déséquilibre et un risque accru de chute2. Cependant, l’évaluation objective de la fonction de tous les composants séparément est une tâche laborieuse et nécessite des évaluations multiples3. Par exemple, l’état du canal horizontal est généralement évalué par irrigation calorique et le test d’impulsion de la tête (HIT). L’étalon-or actuel pour évaluer les organes de la macula est le potentiel myogénique évoqué vestibulaire (VEMP). En combinant plusieurs évaluations, les cliniciens arrivent à une image plus complète de l’état vestibulaire à partir de laquelle ils peuvent tirer des options de diagnostic et de traitement.

Une approche prometteuse pour quantifier la performance vestibulaire est les seuils perceptuels vestibulaires, qui fournissent une mesure objective et quantitative de l’intensité de mouvement de soi la plus faible qui peut être détectée ou discriminée de manière fiable par un participant. Même si les procédures de seuil perceptif sont bien établies dans certaines disciplines cliniques (p. ex., l’audiologie), les seuils vestibulaires perceptuels ne sont pas encore utilisés à des fins diagnostiques dans le domaine vestibulaire4. L’une des raisons en est l’indisponibilité des plates-formes de mouvement et des logiciels faciles à utiliser. En principe, des plates-formes de mouvement et des chaises rotatives peuvent être utilisées pour l’estimation du seuil. Cependant, alors que les plates-formes de mouvement à six degrés de liberté (6DOF) conviennent à l’estimation des seuils pour divers profils de mouvement, permettant d’étudier les cinq sous-composants de l’organe vestibulaire, les chaises rotatives ne peuvent être utilisées que pour accéder aux rotations dans le plan horizontal (lacet) 1,4.

Les seuils vestibulaires sont généralement estimés pour les translations le long des trois axes principaux (naso-occipital, inter-aural, tête-verticale) et pour les rotations autour d’eux (lacet, tangage, roulis), comme le montre la figure 1. Les seuils perceptifs vestibulaires dépendent également de la fréquence de stimulus5. Pour tenir compte de cela, les profils de mouvement avec un profil d’accélération sinusoïdal, constitué d’une seule fréquence, sont le plus souvent utilisés pour l’estimation du seuil, mais d’autres profils 6,7,8 ont également été utilisés dans le passé.

Les seuils perceptifs vestibulaires fournissent un outil pour étudier l’interaction entre la sensation vestibulaire et les processus cognitifs supérieurs. Les seuils complètent donc les évaluations cliniques telles que le HIT, l’irrigation calorique et les potentiels évoqués vestibulaires, qui reposent sur des mécanismes (arcs réflexes) contournant le cortex. De plus, les seuils perceptifs vestibulaires estimés sur une plate-forme de mouvement évaluent la fonction vestibulaire dans un environnement écologiquement valide9, plutôt que d’utiliser la stimulation artificielle, qui introduit des conflits multisensoriels1.

En raison de la nature bidirectionnelle des stimuli vestibulaires10, il est courant d’estimer la discrimination vestibulaire plutôt que les seuils de détection4. Au cours d’une tâche de discrimination, le participant perçoit un stimulus et doit décider à quelle catégorie il appartient. Par exemple, les participants doivent décider dans quelle direction ils sont déplacés (p. ex., gauche/droite). Le cadre théorique de l’estimation du seuil est la théorie de la détection du signal10,11. Les seuils de discrimination peuvent être estimés à l’aide de diverses approches, mais dans le domaine vestibulaire, les procédures d’escalier adaptatif sont la norme. Dans une procédure d’escalier adaptatif, l’intensité, généralement la vitesse maximale, du mouvement suivant dépend de la réponse des participants (correcte / incorrecte) au dernier stimulus / stimuli. Les procédures d’escalier adaptatives peuvent être mises en œuvre de nombreuses façons12, mais l’algorithme le plus fréquemment utilisé dans la recherche vestibulaire est celui des procédures x-down/y-up avec des tailles de pas fixes. Par exemple, dans un escalier à trois descentes / une en haut, l’intensité du stimulus est réduite après que le participant a donné des réponses correctes dans trois essais ultérieurs, mais l’intensité est augmentée chaque fois qu’une réponse incorrecte a été fournie (Figure 2). La sélection exacte de x et y dans un escalier x-down/y-up permet de cibler différentes valeurs seuils (pourcentage de réponses correctes)13. Un escalier à trois descentes / une en haut cible l’intensité où les participants répondent correctement dans 79,4% des essais. Outre les procédures adaptatives des escaliers, d’autres études14 ont utilisé des intensités prédéfinies et fixes pour les estimations de seuils. L’utilisation d’intensités fixes permet d’estimer l’ensemble de la fonction psychométrique, qui contient beaucoup plus d’informations qu’une seule valeur de seuil. Toutefois, les procédures à intensité fixe prennent du temps et sont moins efficaces lorsque seule une valeur seuil spécifique présente un intérêt.

Cet article décrit un protocole d’estimation des seuils de reconnaissance vestibulaire à l’aide d’une plate-forme de mouvement 6DOF et d’une procédure d’escalier adaptatif.

Protocol

Toutes les données utilisées pour ce manuscrit ont été enregistrées après le consentement éclairé des participants et conformément à l’approbation éthique de la Faculté des sciences humaines de l’Université de Berne [2020-04-00004]. 1. Matériaux Afin d’estimer les seuils de perception vestibulaire, assurez-vous qu’il y a accès à une plate-forme de mouvement ou à une chaise rotative. Assurez-vous qu’un logiciel de contrôle pour programmer les profils de mouvement et interfacer la plate-forme de mouvement est présent.REMARQUE: PlatformCommander15,16, un progiciel open source pour interfacer la plate-forme de mouvement, a été utilisé dans cette étude. PlatformCommander permet de définir des profils d’accélération sinusoïdaux, qui sont souvent utilisés pour estimer les seuils vestibulaires. Assurez-vous qu’un dispositif de réponse, par exemple un contrôleur de jeu, est présent pour enregistrer les réponses des participants. Les plates-formes de mouvement produisent un bruit corrélé à l’intensité du mouvement. Les participants peuvent utiliser ce bruit auditif comme source d’information supplémentaire et involontaire lors de l’estimation des seuils de perception vestibulaire. Pour masquer le son de la plateforme, présentez aux participants un bruit blanc via des écouteurs antibruit lors de chaque essai. Bandez les yeux des participants pour éliminer l’influence des indices de mouvement visuels. Décidez de l’algorithme d’estimation à utiliser et définissez les paramètres respectifs. Si une approche d’escalier est utilisée, définissez le point de départ, la taille de la marche, la mise à jour et les règles de terminaison. Si l’utilisateur ne sait pas quelles valeurs choisir, effectuez des mesures pilotes ou consultez la littérature. Les valeurs par défaut sont fournies par les exemples de scripts disponibles en ligne (https://gitlab.com/dr_e/2022-jovedemo).REMARQUE : Le point de départ définit la vitesse maximale de la plate-forme dans le premier essai. Déterminer les vitesses de départ appropriées par des essais pilotes ou en consultant la documentation sur les seuils (pour les seuils angelés, voir Grabherr et al.5). La taille des pas décrit dans quelle mesure l’intensité change entre les essais. La règle de mise à jour décrit si et comment l’intensité de la stimulation est modifiée en fonction des réponses des participants. Dans le domaine vestibulaire, une procédure d’escalier à trois descentes / une montée est courante. Cela signifie que l’intensité diminue après trois réponses correctes consécutives, mais augmente après chaque mauvaise réponse. Les critères de fin sont généralement définis soit par un nombre fixe d’essais, soit par le nombre d’inversions d’intensité. Les inversions d’intensité sont des essais dans lesquels la réponse provoque une augmentation d’intensité après une ou plusieurs baisses d’intensité ou vice versa. Le script fourni assure le suivi des annulations, met fin à la procédure et calcule automatiquement la valeur de seuil finale. Décidez pour quelle fréquence le seuil doit être estimé. Dans la démonstration, 1 Hz a été utilisé.REMARQUE : Les seuils vestibulaires sont généralement étudiés pour les fréquences comprises entre 0,1 et 5 Hz, et les seuils sont connus pour diminuer à mesure que la fréquence de stimulation augmente3. Décidez pour quel type de mouvement le seuil doit être estimé. Dans la démonstration, des rotations en lacet sont effectuées.REMARQUE : Les seuils peuvent être estimés pour les traductions et les rotations. Les seuils sont le plus souvent estimés pour les trois axes principaux (naso-occipital, inter-aural, tête-verticale) et les rotations autour d’eux (roulis, tangage, lacet). Le script fourni n’estime qu’un seul mouvement défini (direction, fréquence) à la fois. Toutefois, pour estimer plusieurs seuils, le script peut être réexécuté avec les mêmes paramètres de mouvement ou des paramètres de mouvement différents (direction, fréquence, axes de rotation). Commencez chaque procédure d’estimation de seuil par une formation, permettant au participant de se familiariser avec la tâche. Utilisez le script « threshold-training.jl » disponible en ligne (voir étape 1.6) à cet effet.REMARQUE: Le script d’apprentissage présente une série de stimuli de mouvement au-dessus du seuil. Le script de test contrôle automatiquement la procédure d’estimation, gère la mise à jour de l’algorithme de l’escalier, l’intensité du stimulus, la présentation du stimulus de mouvement, la présentation du bruit blanc auditif pendant chaque stimulus de mouvement, ainsi que l’enregistrement de toutes les données pertinentes. Pendant la formation, assurez-vous que le participant comprend la tâche et fournissez des conseils en cas d’incertitude. 2. Mode d’emploi Expliquer la procédure expérimentale au participant et obtenir un consentement éclairé. Asseyez le participant sur la chaise montée sur la plate-forme de mouvement. Sécurisez le participant à l’aide de ceintures de sécurité. Donnez les boutons de réponse au participant et expliquez comment les clés sont attribuées aux réponses. Bandez les yeux du participant. Placez les écouteurs sur la tête du participant. Appliquez une fixation de tête appropriée. Allumez la plate-forme de mouvement à l’aide du commutateur principal, de la batterie et du contrôleur. Assurez-vous que la zone autour de la plate-forme est dégagée et qu’aucune personne ne peut s’approcher de la plate-forme mobile pendant le test. Démarrez le script de procédure d’apprentissage en tapant julia threshold-training.jl dans la ligne de commande. Informez le participant de l’engagement de la plateforme de mouvement. Assurez une initialisation réussie de la session en vérifiant l’état affiché dans l’interface graphique du logiciel serveur (PlatformCommander). Une fois initialisé avec succès, l’affichage de l’état passe de Session non en cours à Séquence courte. Il affichera également l’adresse IP du client connecté et l’heure à laquelle la session a été initialisée. Si la session n’est pas initialisée après quelques secondes, vérifiez la connexion réseau entre le client et le serveur. Assurez-vous que la plate-forme de mouvement est allumée et que la manette est connectée. Assurez-vous que le participant comprend la tâche, signalez les erreurs du participant (p. ex., lorsqu’il appuie sur les mauvais boutons) et répondez aux questions potentielles que le participant pourrait avoir. Informez le participant que la procédure de formation est terminée et que la procédure d’estimation est sur le point de commencer. Démarrez le script de procédure d’estimation en tapant julia threshold-test.jl dans la ligne de commande. Superviser la procédure d’estimation entièrement automatisée jusqu’à ce que les critères de résiliation soient atteints. Selon la conception, répétez la procédure à partir de l’étape 2.13 en utilisant différents stimuli ou terminez la procédure. Garez la plate-forme de mouvement. Retirez la fixation de la tête, les écouteurs, les œillères et les boutons, et laissez le participant descendre. Débriefez le participant sur la procédure et interrogez-le sur son expérience pour améliorer d’autres expériences.REMARQUE: La procédure peut être suspendue puis redémarrée à tout moment, de préférence pas pendant la phase d’estimation du seuil (étapes 2.15-2.17).

Representative Results

Le résultat de la procédure décrite est un graphique montrant les intensités de stimulus utilisées au cours des essais (Figure 2). Les intensités doivent converger vers une valeur constante (Figure 2, ligne pointillée). La procédure d’escalier adaptatif relie une intensité d’accélération à la perception du mouvement du participant. Le seuil est généralement calculé par le script de test (par exemple, threshold-test.jl) comme la valeur moyenne de toutes les intensités ou d’un sous-ensemble des intensités présentées lors des essais d’inversion. Aucun traitement supplémentaire de la valeur obtenue n’est nécessaire. Selon la règle de mise à jour utilisée, différents points de la fonction psychométrique peuvent être ciblés. En utilisant la règle des trois down/un-up, l’intensité à laquelle le participant donne la réponse correcte dans 79,4 % des essais est estimée. La figure 3 visualise une estimation de seuil échouée. Dans l’exemple, les critères d’arrêt ont été fixés à 30 essais au lieu d’un nombre suffisant d’annulations. En raison de l’erreur précoce (essai 11), les procédures d’estimation ont abouti à une mauvaise estimation du seuil, ce qui peut être reconnu par le fait que l’escalier n’a pas convergé vers une valeur mais a gardé une diminution monotone jusqu’à la fin. Figure 1 : Visualisation des axes et plans principaux. Les axes et les plans visualisés sont généralement utilisés pour décrire les mouvements liés aux mouvements de la tête. Les seuils perceptifs vestibulaires sont le plus souvent estimés pour les axes naso-occipital (NO), inter-aural (IA) et tête-vertical (HV), ainsi que pour les rotations autour d’eux appelées rotations de lacet, de tangage ou de roulis. La figurine a été créée à l’aide d’un modèle de tête 3D17 disponible gratuitement. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure. Figure 2 : Visualisation d’une procédure d’escalier à trois descentes/une montée. Les inversions d’intensité sont visualisées en rouge. Les triangles pointant vers le haut représentent les essais avec des réponses correctes, et les triangles pointant vers le bas représentent les essais avec des réponses incorrectes. La ligne pointillée représente le seuil estimé, qui a été calculé comme la valeur moyenne des huit intensités d’inversion. Au début, la règle de mise à jour suit un modèle descendant jusqu’à la première inversion (essai 6). Cela permet une estimation plus efficace du seuil, en particulier dans les cas où l’intensité de départ est importante par rapport au seuil inconnu. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure. Figure 3 : Visualisation d’une estimation de seuil ayant échoué. En raison des critères d’arrêt (30 essais) et d’une intensité de départ sélectionnée relativement éloignée du seuil réel, la fonction d’escalier n’a pas convergé. Une convergence plus rapide vers le seuil réel est entravée par une fausse réponse précoce (essai 11). Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Discussion

Le protocole présenté permet une estimation fiable et efficace des seuils perceptifs vestibulaires. Le protocole convient à l’estimation du seuil le long et autour d’axes arbitraires et peut être appliqué à toutes les fréquences de stimulus pertinentes (par exemple, 0,1-5 Hz). Bien que nous présentions les données à l’aide d’une procédure standard d’escalier adaptatif à trois vers le bas / un vers le haut, le protocole peut également être utilisé pour d’autres procédures d’estimation plus efficaces12, y compris les approches d’intensité fixe, transformées / pondérées vers le haut / vers le bas ou bayésiennes (par exemple, Quest18). Une discussion exhaustive des algorithmes disponibles dépasse la portée du manuscrit présenté, mais une excellente comparaison de la théorie, des simulations et des données réelles peut être trouvée ailleurs19. Des procédures d’estimation efficaces sont d’une grande importance dans le contexte clinique, où le temps est limité et où des recherches sur des évaluations plus rapides sont actuellement menées19,20.

Un domaine de recherche prometteur est l’identification de profils de mouvement particuliers et d’autres paramètres cliniquement pertinents tels que l’équilibre 2,21. Cette ligne de recherche est importante car elle fournit des conseils sur les axes et les fréquences les plus prévisibles pour les comportements et les événements cliniquement pertinents, tels que le risque de chute, réduisant ainsi l’espace de recherche dans un contexte clinique.

Une fois que l’équipement et les logiciels sont disponibles et fonctionnent comme prévu, deux facteurs sont essentiels pour une estimation fiable du seuil. Tout d’abord, l’expérimentateur doit s’assurer que le participant comprend la tâche et reste vigilant tout au long de la procédure. Pour la plupart des stimuli (par exemple, toutes les traductions), les instructions sont claires et faciles à suivre. Cependant, pour les rotations de tangage et de roulis, l’instruction de répondre avec la gauche ou la droite peut être ambiguë, en particulier lorsque l’axe de rotation est placé au niveau de la tête. Dans ces cas, les parties du corps au-dessus des axes de rotation (p. ex., la tête) tournent dans la direction opposée à celle des parties du corps situées au-dessous des axes de rotation (p. ex., les pieds). Les termes gauche/droite peuvent être ambigus, et il peut être utile de demander aux participants de classer les mouvements dans le sens horaire ou antihoraire. Il est important d’expliquer et de pratiquer comment le participant est censé juger les stimuli de mouvement. Un nombre suffisant d’essais est particulièrement important lorsque des patients ou des personnes âgées sont étudiés.

Deuxièmement, il est important de choisir un nombre suffisant d’essais autour du seuil. Nous recommandons un critère de terminaison adaptatif comme le nombre d’inversions d’intensité, au lieu d’un nombre fixe d’essais qui a été utilisé par d’autres 7,22. De plus, l’utilisation d’un nombre prédéfini d’essais peut devenir inefficace et comporte le risque que l’escalier ne converge pas lorsque l’intensité de départ est trop éloignée du seuil. En général, les expériences pilotes sont nécessaires pour sélectionner des intensités de départ et des critères de fin raisonnables.

Les algorithmes d’escalier visent à estimer un seul point sur la fonction psychométrique23,24. Par conséquent, ils fournissent des renseignements limités parce que les biais de réponse et la pente de la fonction psychométrique ne peuvent pas être dérivés du seuil estimé. Si de tels paramètres sont intéressants, des intensités fixes peuvent être utilisées pour échantillonner sur un intervalle plus grand, ce qui permet d’ajuster la fonction psychométrique. Bien qu’une telle procédure prenne plus de temps, elle permet des analyses plus sophistiquées qui peuvent fournir des informations précieuses14,25. Alternativement, des algorithmes adaptatifs d’estimation de pente peuvent être utilisés13.

Un aspect important dans l’estimation des seuils de perception vestibulaire est la minimisation des indices provenant d’autres systèmes sensoriels. Pour ce faire, le bruit généré par la plate-forme est généralement masqué par un bruit blanc. La minimisation des indices proprioceptifs ou tactiles est plus difficile1, et ne peut être réalisée que partiellement car l’accélération nécessite une force agissant sur le corps, ce qui induira inévitablement une stimulation extra-vestibulaire. Cependant, les coussins sont souvent utilisés pour réduire les signaux tactiles et proprioceptifs. De même, la fixation de la tête est nécessaire pour assurer une orientation constante des organes vestibulaires par rapport au mouvement et pour s’assurer que le profil de mouvement effectué par la tête est le même que celui de la plate-forme, sans aucun filtrage par le corps qui se produit dans des conditions de mouvement sans restriction26.

À l’heure actuelle, les seuils perceptifs vestibulaires sont principalement utilisés en recherche fondamentale. Des études ont montré que les seuils vestibulaires augmentent avec l’âge 27,28, et ils dépendent de la direction 20,28 et de la fréquence du mouvement 5,29. Plus récemment, des seuils perceptuels ont été utilisés pour documenter les premières preuves d’apprentissage perceptuel dans le domaine vestibulaire14.

Des études comparant des patients atteints de troubles vestibulaires à des témoins sains ont montré des seuils perceptifs vestibulaires altérés en fonction de leur pathologie. Par exemple, les seuils ont été augmentés chez les patients présentant une insuffisance vestibulaire 29,30,31, et une tendance à la réduction des seuils ou même à une hypersensibilité a été montrée chez les patients atteints de migraine vestibulaire31,32. Ces études impliquent le potentiel d’applications cliniques, et une revue récente4 a discuté de l’applicabilité et de l’utilité des seuils perceptuels vestibulaires dans un diagnostic clinique. Un aspect important est que les seuils perceptuels ajoutent des propriétés uniques à la boîte à outils du médecin. Les procédures standard (HIT, VEMP, irrigation calorique) utilisent des voies directes des organes terminaux vestibulaires aux muscles des yeux ou du col de l’utérus. Ainsi, ils n’offrent pas la possibilité d’étudier la chaîne d’information jusqu’au néo-cortex. L’estimation des seuils perceptifs vestibulaires, quant à elle, inclut des processus cognitifs permettant de tester le système vestibulaire sous un angle différent, ce qui pourrait être particulièrement intéressant dans le contexte de vertiges posturaux-perceptuels persistants (PPPD). Une lacune de la procédure présentée est son incapacité à détecter les asymétries directionnelles, ce qui a été signalé par d’autres33.

Les seuils perceptifs vestibulaires présentent également un intérêt dans l’évaluation et le suivi des interventions (thérapeutiques). De nombreuses études utilisent le risque de chute comme critère d’évaluation de l’efficacité du traitement. Cependant, étant donné qu’une corrélation entre les seuils vestibulaires autour de l’axe du rouleau et le risque de chute2 et la performance lors des tâches d’équilibre34 a été démontrée, les seuils pourraient être utilisés comme variable dépendante plus fiable, par exemple, pour évaluer le résultat35 ou la configuration optimale des implants vestibulaires.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Nous sommes reconnaissants du soutien fourni par Carlo Prelz de la plate-forme technologique de la Faculté des sciences humaines. Nous remercions Noel Strahm pour sa contribution à la mise en œuvre de l’escalier.

Materials

6-DOF Motion Platform MOOG Models 170E122 or 170E131; Nov 12, 1999
Headphones Sony WH-100XM3
PlatformCommander University of Bern does not apply Open Source control software: https://gitlab.com/KWM-PSY/platform-commander
Response Buttons Logitech G F310
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Ertl, M., Fitze, D. C., Wyssen, G., Mast, F. W. Estimating Vestibular Perceptual Thresholds Using a Six-Degree-Of-Freedom Motion Platform. J. Vis. Exp. (186), e63909, doi:10.3791/63909 (2022).
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